प्रतिवर्ती फाटकों का उपयोग क्यों नहीं किया जाता है?


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मैं कुर्ज़वील द्वारा लिखी गई पुस्तक "द सिंग्युलैरिटी पास है" पढ़ रहा था और उन्होंने फ्रेडकिन गेट जैसे उदाहरण के लिए प्रतिवर्ती फाटकों का उल्लेख किया । ऐसे फाटकों का उपयोग करने का लाभ यह है कि हम अभिकलन से संबंधित थर्मल कचरे से छुटकारा पा सकते हैं जहां बिट्स सिर्फ गर्मी में गायब हो जाते हैं, और गणना को किसी भी ऊर्जा इनपुट की आवश्यकता नहीं होगी। वे धारणाएँ इन द्वारों को चमत्कारिक हल की तरह आवाज देती हैं। तो सवाल यह है कि तकनीकी बाधाएं अभी भी बड़े पैमाने पर उपयोग को रोक रही हैं।

मुझे भी लगता है कि यह शर्म की बात है कि मैंने अपने इलेक्ट्रिकल इंजीनियरिंग स्नातक और जर्मनी के एक शीर्ष विश्वविद्यालय में मास्टर अध्ययन के बारे में कभी नहीं सुना।


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ध्यान दें कि क्वांटम अभिकलन प्रतिवर्ती फाटकों के बारे में बहुत अधिक है (यह "एकात्मक" का अर्थ है)।
डेविड रिचेर्बी

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@DavidRicherby सभी क्वांटम अभिकलन प्रतिवर्ती नहीं हैं; अंतत: क्षय होता है।
ऐलिस

ध्यान दें कि प्रतिवर्ती फाटकों का उपयोग करने वाला कोई भी व्यावहारिक कंप्यूटर अभी भी गर्मी उत्पन्न करने वाला है, क्योंकि आपको कंप्यूटर को ट्रैक पर रखने के लिए त्रुटि सुधार करने की आवश्यकता है। त्रुटि सुधार स्वाभाविक रूप से अपरिवर्तनीय संचालन की आवश्यकता है (या ज़ीरो बिट्स की निरंतर आपूर्ति; एक ही अंतर)।
क्रेग गिदनी

जवाबों:


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मैं इस विषय पर कोई विशेषज्ञ नहीं हूं, लेकिन सिर्फ आकस्मिक रूप से विकिपीडिया पढ़ने से।

यह बफ़र्स से बने घर्षण-मुक्त वातावरण में गोलाकार बिलियर्ड गेंदों की गति पर निर्भर करता है, जिसके विरुद्ध गेंदें बिल्कुल उछलती हैं

... यह बहुत यथार्थवादी लगता है।

कोई भी वास्तव में यह पता नहीं लगा सका है कि वास्तव में इस तरह के द्वार कैसे बनाए जा सकते हैं, वे केवल सैद्धांतिक रुचि के हैं। यह समझा सकता है कि आपने उनके बारे में कभी नहीं सुना है क्योंकि इंजीनियरिंग आमतौर पर अभ्यास से संबंधित है।

प्रतिवर्ती कम्प्यूटिंग का आधार यह है कि जब थोड़ा गायब हो जाता है, तो कुछ मात्रा में गर्मी उत्पन्न होती है। प्रतिवर्ती फाटकों का उपयोग करके, कोई भी बिट्स कभी प्रकट नहीं होते हैं या गायब हो जाते हैं इसलिए प्रतिवर्ती फाटकों के साथ गणना बहुत अधिक कुशल हो सकती है।

चारों ओर पाने के लिए सैद्धांतिक सीमा प्रतिवर्ती कम्प्यूटिंग का दावा है कि 1 बिट जानकारी को मिटाने से गर्मी में कम से कम ऊर्जा उत्पन्न होती है। एक टोस्ट 60 पर चलने वाले कंप्यूटर के लिएkTln2 के साथ 10 9 ट्रांजिस्टर प्रत्येक बनाने बिट्स की दर से गायब हो जाते हैं 560C109 , जो 16 से मेल खाती है5GHzगर्मी की पीढ़ी के मीटर डब्ल्यू । यही कारण है कि केवल एक छोटे से अनुपात (के लिए खातों 1 / 10000 एक कंप्यूटर के ऊर्जा के उपयोग की)।16mW1/10000

हमारे वर्तमान-दिन के कंप्यूटर बिट्स के गायब होने से जुड़ी हीट जनरेशन द्वारा सीमित नहीं हैं। वे छोटे तांबे के निशानों के चारों ओर इलेक्ट्रॉनों को ले जाने में निहित अक्षमता से सीमित हैं।


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-1। कुछ लोगों ने प्रतिवर्ती द्वार बनाए हैं और उनमें से एक संपूर्ण सीपीयू बनाया है। Cise.ufl.edu/research/revcomp पर उस प्रतिवर्ती-तर्क CPU की एक तस्वीर है ।
डेविड कैरी

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@DavidCary लेकिन वे (या लापरवाही से) गैर-प्रतिवर्ती फाटकों से बने कंप्यूटरों की तुलना में अधिक कुशल नहीं हैं।
user253751

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@ इमिबिज़ मार्कडली असत्य; वे गैर-प्रतिवर्ती फाटकों से बने कंप्यूटरों के समान कानूनों के अधीन नहीं हैं, और इसलिए बहुत अधिक कुशल हैं।
ऐलिस

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@DavidCary कृपया मुझे कुछ डेटा दिखाएं कि आप सीपीयू से कितने कुशल हैं। मैं जो कुछ देख रहा हूं, उस पर "एडियाबेटिक" शब्द के साथ सीपीयू की एक छवि है, लेकिन पारंपरिक कंप्यूटरों की तुलना में यह कितना कुशल है, इसकी कोई जानकारी नहीं है।
टॉम वैन डेर ज़ंडेन

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@TomvanderZanden यदि आप किस प्रकार की दक्षता निर्दिष्ट नहीं करते हैं, तो दक्षता को मापना थोड़ा बेकार है। चिप आकार के मामले में, RISC चिप्स CISC वालों की तुलना में अधिक कुशल हैं, लेकिन किसी दिए गए एल्गोरिथ्म को निर्दिष्ट करने के लिए कितने निर्देशों के संदर्भ में नहीं। कोई भी प्रतिवर्ती सर्किट एक पारंपरिक सर्किट की तुलना में तुरंत अधिक कुशल है क्योंकि यह लैंडॉयर के सिद्धांत के अधीन नहीं है ; यह पहले से ही बहुत बड़ी जीत है।
ऐलिस

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व्यावहारिक प्रतिवर्ती फाटकों (गेट्स जो सिलिकॉन में गढ़े गए हैं और हो सकते हैं) के साथ समस्या यह है कि वास्तविक ऊर्जा बचत रैखिक रूप से आनुपातिक है कि आप उन्हें कैसे धीरे-धीरे चलाते हैं।

मुझे पता है कि एमआईटी में टॉम नाइट के अनुसंधान समूह ने 1990 के दशक के उत्तरार्ध में एक छोटा एडियाबेटिक प्रोसेसर तैयार किया था। विकसित किए गए व्यावहारिक तर्क परिवार को विभाजित-स्तरीय शुल्क वसूली तर्क कहा जाता है, और इसे मानक (CMOS) निर्माण तकनीकों का उपयोग करके लागू किया जा सकता है। मेरा मानना ​​है कि फ्लोरिडा स्टेट यूनिवर्सिटी में माइकल पी फ्रैंक द्वारा काम जारी रखा गया है। टॉम नाइट के समूह में काम का एक उदाहरण निम्नलिखित मास्टर की थीसिस है (जिसमें 1990 के दशक की शुरुआत में संबंधित काम पर एक बहुत अच्छा अनुभाग है।) वीरी, सीजे: पेंडुलम: एक प्रतिवर्ती कंप्यूटर वास्तुकला , मास्टर की थीसिस, एमआईटी ईईसीएस विभाग, 1995।

प्रतिवर्ती सर्किटों को एडियाबेटिक होना चाहिए (सर्किट और उसके पर्यावरण के बीच गर्मी का आदान-प्रदान नहीं हो सकता है), जिसका अर्थ है कि उन्हें हर समय संतुलन में होना चाहिए। किसी भी ऐसी प्रक्रिया के लिए जिसे कुछ बदलने की आवश्यकता है आप परिवर्तन को धीरे-धीरे संभव करके केवल संतुलन को अनुमानित कर सकते हैं।

अगर मुझे अपने ऊष्मप्रवैगिकी को सही ढंग से याद है, तो आप एक प्रतिवर्ती संगणना की ऊर्जा को मनमाने ढंग से छोटा कर सकते हैं , लेकिन न्यूनतम क्रिया (ऊर्जा समय) एक छोटी सी स्थिरांक होनी चाहिए।


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आपको ऊष्मप्रवैगिकी ठीक से याद नहीं है; Landauer के सिद्धांत को प्रतिवर्ती सर्किट द्वारा समर्थित नहीं किया जाना चाहिए (क्योंकि यह बिट्स को मिटाता नहीं है), और इसलिए सैद्धांतिक रूप से आवश्यक ऊर्जा शून्य हो सकती है (और कोई भी गर्मी जारी नहीं की जाएगी)। प्रतिवर्ती सर्किट को भी एडियाबेटिक होने की आवश्यकता नहीं है; व्यावहारिक प्रतिवर्ती फाटक बनाए गए हैं जो गैर-प्रतिवर्ती चिप्स की तुलना में कोई धीमे नहीं हैं (ध्यान में रखते हुए कि प्रतिवर्ती चिप्स आमतौर पर बड़े होते हैं, और इसलिए प्रकाश विलंबता की गति में वृद्धि होती है)।
ऐलिस

"प्रकाश विलंबता की गति में वृद्धि": क्या आप प्रतिवर्ती ऑप्टिकल चिप्स की बात कर रहे हैं ? अधिकांश चिप्स इलेक्ट्रॉनिक हैं।
ज़िल्स्ट्रा

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उनके बड़े पैमाने पर उपयोग को रोकने वाली सबसे बड़ी बाधा अतुल्यकालिक सर्किट के लिए समान है और बहुत अधिक किसी भी अन्य गैर-मानक सर्किट डिजाइन: मूर का नियम।

मूर का कानून भविष्यवाणी को पूरा करने वाली आत्म के कुछ बन गया है; के रूप में लोगों द्वारा देखा टिक Tock रिलीज अनुसूची , चिप निर्माताओं के लिए एक चुनौती के रूप में पूरा मूर के कानून को देखते हैं। मूर के नियम को पूरा करने की आवश्यकता के कारण, हमने लिथोग्राफी को आगे बढ़ाते हुए (और अक्सर चीट का उपयोग करके, मल्टीटाटरिंग की तरह) चिप्स के आकार को कम करने में अधिक से अधिक निपुण किया है।

इन सभी का प्रतिवर्ती फाटकों के साथ क्या संबंध है? ढलाई के रूप में नए और छोटे ट्रांजिस्टर आकारों को जारी करने के लिए दौड़, जो कंपनियां नए चिप्स प्रिंट करना चाहती हैं, वे केवल अधिक कैश जोड़कर गति बढ़ाने की दिशा में एक आसान रास्ता देखती हैं और अपने पारंपरिक डिजाइनों को बेहतर ढंग से उस कैश का उपयोग करने के लिए काम करती हैं।

बेहतर का हत्यारा तकनीकी बाधा नहीं है; यह काफी अच्छे की सफलता है


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उम्मीद है कि एक दिन अच्छा पर्याप्त अब और अच्छा नहीं होगा।
मेहंदी

@ मेहेदी हम सभी की इच्छा नहीं है। लेकिन मुझे यकीन नहीं होगा; ऊर्जा वर्तमान में सस्ती है और वर्तमान चक्र को कम से कम 5 वर्षों तक जारी रखने के लिए रास्ते हैं (संभवतः 10, अगर हमें कुछ निश्चित तकनीकों को प्राप्त करने का एक तरीका मिल जाए । उसके बाद, कुछ नई तकनीक को लिथोग्राफी की जगह लेनी होगी, लेकिन इसका मतलब यह नहीं है कि यह अपरंपरागत होना चाहिए। 3 डी लिथोग्राफी एक ही पिच पर निर्माण करके बहुत सघन चिप्स प्रदान कर सकती है, लेकिन अलग-अलग दिशाओं में। इससे हमें 2050 तक लाभ मिल सकता है।
ऐलिस

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उपयोगी कंप्यूटिंग डिवाइसों को फीडबैक की आवश्यकता होती है, जो एक सर्किट तत्व को अनिवार्य रूप से असीमित संख्या में अनुक्रमिक संगणना करने के लिए संभव बनाता है। प्रयोग करने योग्य फीडबैक सर्किट में वे खंड शामिल होने चाहिए, जिनकी कुल संख्या में इनपुट (दोनों की गणना जो कि आउटपुट से वापस आ गए हैं और जो नहीं हैं) उन आउटपुट की संख्या से अधिक होती हैं, जो इनपुट पर वापस आ जाते हैं (जिस तरह से इनपुट की संख्या कम हो जाएगी) टी की संख्या फीड-बैक आउटपुट से अधिक होगी यदि सर्किट किसी भी तरह से बाहरी उत्तेजनाओं का जवाब नहीं देते हैं)। चूंकि पूरी तरह से प्रतिवर्ती-तर्क कार्यों में आउटपुट से अधिक इनपुट नहीं हो सकते हैं, इसलिए किसी भी गैर-तुच्छ कंप्यूटिंग कार्यों को करने के लिए आवश्यक प्रतिक्रिया संरचनाओं में से किसी से भी निर्माण करना संभव नहीं है। बार-बार। ध्यान दें कि आज के कंप्यूटरों में इस्तेमाल की जाने वाली CMOS तकनीक के साथ, यह सुनिश्चित करने के लिए फीडबैक की आवश्यकता होती है कि सर्किट के विभिन्न भागों में संगणना द्वारा रिपोर्ट किए गए परिणाम अन्य भागों में एक साथ उपलब्ध कराए जाते हैं, क्योंकि यदि वे सापेक्ष समय नहीं थे, जिसके साथ संकेत आते हैं। "सूचना" का गठन करें जो पूरी तरह से नीचे की ओर पारित नहीं किया जा सकता है; अन्य प्रौद्योगिकियां संभवतया प्रतिवर्तीता बनाए रखते हुए ठीक उसी दर पर कई द्वार प्रसार संकेत दे सकती हैं, लेकिन मुझे इसके लिए कोई व्यावहारिक तकनीक का पता नहीं है।

ध्यान दें कि एक सीएस के नजरिए से, कंप्यूटिंग प्रक्रिया को प्रतिवर्ती बनाने के लिए यह तुच्छ है यदि कोई शुरू में खाली भंडारण माध्यम है, जिसका आकार अनिवार्य रूप से राज्य की मात्रा के अनुपात में है जो प्रत्येक चरण में बदल सकता है। यह दावा पिछले पैराग्राफ के दावे का खंडन नहीं करता है, क्योंकि चरणों की संख्या के लिए आनुपातिक भंडारण के लिए सर्किटरी के लिए आनुपातिक चरणों की आवश्यकता होगी, जो कि सभी फीडबैक को समाप्त करने के लिए आवश्यक राशि के आनुपातिक रूप से सर्किटरी होगा।

यदि किसी को ऐसे आउटपुट दिए जाने की अनुमति है, जिन्हें नजरअंदाज कर दिया जाता है, यदि उचित इनपुट शर्तों को देखते हुए, वे कभी उच्च नहीं होंगे, तो संभव है कि एक प्रणाली को डिज़ाइन करना संभव हो, जो सिद्धांत रूप में, प्रतिवर्ती तर्क से लाभ देगा। उदाहरण के लिए, यदि किसी के पास एक एल्गोरिथ्म था जो 256-शब्द वाली रैम पर संचालित होता था और एक "प्रतिवर्ती-तर्क सीपीयू" का उपयोग करना चाहता था जो प्रति सेकंड 1,000,000 संचालन करता था और प्रत्येक ऑपरेशन या तो एक रजिस्टर, प्रोग्राम काउंटर, या एक को अपडेट करता था। RAM का शब्द, एक "प्रतिवर्ती सीपीयू" का उपयोग कर सकता है जो होगा:

  • निर्देशों का एक गुच्छा चला और, प्रत्येक पर, जो कुछ भी एक LIFO बफर को अधिलेखित किया गया था भेजें
  • निर्देशों का एक गुच्छा निष्पादित होने के बाद, रैम को एक प्रारंभिक-रिक्त "अग्रेषण" बफर में कॉपी करें
  • LIFO में मूल्यों का उपयोग करके, सभी संगणनाओं को उल्टा चलाएं
  • अग्रेषित बफर के साथ मुख्य रैम की सामग्री को अधिलेखित करें, जो प्रक्रिया में मिटा दिया जाएगा।

उपरोक्त नुस्खा को मनमाने ढंग से संख्याओं के लिए एल्गोरिथ्म को चलाने के लिए किसी भी समय दोहराया जा सकता है; केवल रेसिपी का अंतिम चरण प्रतिवर्ती नहीं होगा। गैर-प्रतिवर्ती संचालन में प्रति एल्गोरिदम कदम पर खर्च की जाने वाली ऊर्जा की मात्रा LIFO के आकार के व्युत्क्रमानुपाती होगी, और इस प्रकार यदि एक बड़े पर्याप्त LIFO के निर्माण के लिए निर्माण किया जा रहा था, तो इसे मनमाने ढंग से छोटा किया जा सकता था।

किसी भी प्रकार की ऊर्जा बचत में अनुवाद करने की उस क्षमता के लिए, हालांकि, एक LIFO का होना आवश्यक होगा जो कि जानकारी संग्रहीत करते समय ऊर्जा को संग्रहित करता है, और उस ऊर्जा को उपयोगी रूप से वापस लौटाता है जब इसे पढ़ा जाता है। इसके अलावा, LIFO को पर्याप्त कदमों के लिए राज्य डेटा को धारण करने के लिए काफी बड़ा होना होगा कि इसका उपयोग करने की किसी भी ऊर्जा लागत ऊर्जा की मात्रा से कम थी जो इसे उपयोगी रूप से बचाती थी। यह देखते हुए कि किसी भी व्यावहारिक FIFO से एन बाइट्स के भंडारण और पुनर्प्राप्ति में खो जाने वाली ऊर्जा की मात्रा O (1) होने की संभावना नहीं है, यह स्पष्ट नहीं है कि एन बढ़ाना सार्थक रूप से ऊर्जा की खपत को कम करेगा।


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@ LoganMayfield: मुझे लगता है कि आप इस आवश्यकता को अनदेखा कर देते हैं कि आवश्यक टेप की लम्बाई को पुनर्जीवित करने के लिए उठाए जाने वाले चरणों की संख्या के अनुपात में है। अगर मैं अपने अटारी 2600 में एक कारतूस फेंक देता हूं और थोड़ी देर के लिए बिजली देता हूं, तो यह लगभग 100 बिलियन चक्र प्रति दिन चलेगा। चूंकि सिस्टम (सभी बड़े कारतूसों सहित) में 100,000 से कम ट्रांजिस्टर होंगे, जो प्रति ट्रांजिस्टर प्रति दिन एक लाख से अधिक चक्र हैं। यदि कोई एक समान मशीन डिजाइन करना चाहता है जो एक दिन के लिए पूरी तरह से पलट सकती है, भले ही प्रति बिट एक ट्रांजिस्टर के साथ प्रतिवर्ती LIFO बनाने की क्षमता हो ...
Supercat

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... एक लाख गुना से अधिक ट्रांजिस्टर की संख्या बढ़ाना आवश्यक होगा। यदि किसी को केवल एक बार में कुछ हज़ार चक्र चलाने की आवश्यकता होती है, तो परिणाम को कैप्चर करें, चक्रों को रिवाइंड करें, और फिर पिछले प्रारंभिक स्थिति को कैप्चर किए गए परिणामों से बदल दें, जो लगभग व्यावहारिक हो सकता है, लेकिन राक्षसी रूप से जटिल होगा। आज की तकनीक से मिलती-जुलती चीज़ों के साथ, "सैद्धांतिक रूप से अपरिहार्य" नुकसानों में किसी भी कमी को प्रतिवर्ती कंप्यूटिंग का उपयोग करके प्राप्त किया जाएगा, जो कि केवल सिद्धांत में परिहार्य होने के कारण खोई हुई शक्ति में वृद्धि से स्वाहा हो जाएगा ।
सुपरकैट

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मैं केवल इस बात से चिंतित था कि आपका मूल उत्तर यह कहा गया था कि "प्रतिवर्ती प्रौद्योगिकी अपरिवर्तनीय प्रौद्योगिकी के समान चीजों की गणना नहीं कर सकती है"। मेरा मतलब यह नहीं था कि यह व्यावहारिक है।
लोगन मेफील्ड

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@LoganMayfield: प्रारंभिक प्रश्न था "इन चीजों का उपयोग क्यों नहीं किया जाता है"। मेरा सुझाव है कि लगभग सभी व्यावहारिक कंप्यूटिंग डिवाइस इस तरह से प्रतिक्रिया का उपयोग करते हैं कि हार्डवेयर की एक निश्चित मात्रा अनबाउंड समय दिए जाने पर गणना की निर्बाध संख्या का प्रदर्शन करने में सक्षम होगी। यह ऐसा कुछ है जो प्रतिवर्ती तर्क बस नहीं कर सकता है । यह प्रतिवर्ती और गैर-प्रतिवर्ती कंप्यूटिंग के बीच एक प्रमुख गुणात्मक अंतर है। यह हो सकता है कि यहां तक ​​कि एक कंप्यूटर जो केवल "रीवाइंडिंग" से पहले सीमित संख्या में ऑपरेशन चला सकता है, फिर भी उपयोगी हो सकता है, इसलिए ...
Supercat

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... मैंने पोस्ट को यह कहने के लिए संपादित किया है कि किसी भी सार्थक काम को करने के लिए इस तरह के उपयोग की आवश्यकता होगी। मुझे लगता है कि मौलिक व्यावहारिक समस्या उपजी है, हालांकि, जो मैंने मूल रूप से कहा था, उससे उपजा है: कंप्यूटर अपने बैंग-फॉर-हिर के अधिकांश को अलग-अलग संगणनाएं करने के लिए सर्किट तत्वों के मनमाने ढंग से पुन: उपयोग करने की क्षमता से प्राप्त करते हैं, और असमर्थता रिवर्स लॉजिक को संभालने के लिए जो इसे गेट के ठीक बाहर एक गंभीर नुकसान में डाल देगा।
सुपरकैट

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व्यावहारिक रूप से लागू प्रतिवर्ती कंप्यूटिंग अनुसंधान का एक सक्रिय क्षेत्र है और भविष्य में और अधिक प्रमुख बनने की संभावना है। अधिकांश क्वांटम कंप्यूटिंग को प्रतिवर्ती क्विट गेट्स बनाने के प्रयास के रूप में देखा जा सकता है और यह क्यूएम औपचारिकता के सैद्धांतिक गुणों से मेल खाने के लिए प्रयोगात्मक रूप से बहुत कठिन है, लेकिन स्थिर प्रगति की जा रही है।

एक और मूल बिंदु यह है कि किसी भी समय ऊर्जा का अपव्यय एक चिप पर कम हो जाता है, यह अनिवार्य रूप से गेट सिस्टम को "अधिक प्रतिवर्ती" में स्थानांतरित कर रहा है, और कम ऊर्जा वाली चिप अपव्यय लंबे समय से मोबाइल कंप्यूटिंग में एक उच्च प्राथमिकता रही है (एक प्रकार का प्रतिनिधित्व करते हुए) उद्योग-व्यापी प्रतिमान बदलाव)। दशकों तक चिप प्रदर्शन लाभ (मूर के नियम के समान) कुछ हद तक "आराम" या यहां तक ​​कि ऊर्जा अपव्यय के साथ "मैला" होने के कारण आया था, लेकिन कुछ साल पहले कम रिटर्न के बिंदु पर पहुंच गया। अग्रणी दुनिया भर में चिप निर्माता इंटेल, आर्म के साथ प्रतिस्पर्धा करने के लिए लो-पावर चिप्स में धुरी का प्रयास कर रहा है, जिसका कभी भी निर्माण नहीं करने के बाद एक फायदा होता है।

सुपरकंडक्टिंग तकनीक (जून 2014) का उपयोग करके हाल ही में किए गए कुछ शोध में सफलता मिली है, और इस क्षेत्र में अन्य सक्रिय अनुसंधान परियोजनाएं हैं।

उदाहरण के लिए, एडिबैटिक सुपरकंडक्टिंग डिवाइसेस / टेकुची, यमानशी, योशीकावा, नेचर का उपयोग करके रिवर्सिबल लॉजिक गेट देखें :

रॉल्फ लैंडॉउर ने उस तर्क को आगे बढ़ाया, जो लैंडर के सिद्धांत के रूप में जाना जाता है। इस सिद्धांत में कहा गया है कि प्रतिवर्ती कंप्यूटिंग में तर्क संचालन के लिए कोई न्यूनतम ऊर्जा अपव्यय नहीं है, क्योंकि यह जानकारी में प्रवेश में कमी के साथ नहीं है। हालांकि, अब तक, कोई भी व्यावहारिक प्रतिवर्ती लॉजिक गेट का प्रदर्शन नहीं किया गया है। समस्याओं में से एक यह है कि प्रतिवर्ती लॉजिक गेट्स को अत्यंत ऊर्जा-कुशल लॉजिक उपकरणों का उपयोग करके बनाया जाना चाहिए। एक और कठिनाई यह है कि प्रतिवर्ती तर्क द्वार दोनों तार्किक और शारीरिक रूप से प्रतिवर्ती होने चाहिए। यहां हम एडियाबेटिक सुपरकंडक्टिंग उपकरणों का उपयोग करते हुए पहले व्यावहारिक प्रतिवर्ती लॉजिक गेट का प्रस्ताव देते हैं और प्रयोगात्मक रूप से गेट की तार्किक और भौतिक प्रतिवर्तीता का प्रदर्शन करते हैं। इसके अतिरिक्त, हम गेट के ऊर्जा अपव्यय का अनुमान लगाते हैं, और प्रतिवर्ती तर्क संचालन के लिए आवश्यक न्यूनतम ऊर्जा अपव्यय पर चर्चा करें। यह उम्मीद की जाती है कि इस अध्ययन के परिणाम प्रतिवर्ती कंप्यूटिंग को सैद्धांतिक चरण से व्यावहारिक उपयोग में ले जाने में सक्षम होंगे।


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फ्रेडकिन गेट यथार्थवादी हैं और कई कार्यान्वित किए गए हैं। पूरे FPGA बोर्ड हैं जो सख्ती से प्रतिवर्ती लॉजिक गेट्स का उपयोग कर रहे हैं जो कि उनके LU के रूप में फ्रेडकिन और टोफोली गेट का उपयोग करके कार्यान्वित किए जाते हैं।

कंप्यूटर वास्तुकला में उनके व्यापक उपयोग को प्रभावित करने वाली कई समस्याएं हैं। फ़्रेडकिन गेट्स के कई "विज्ञापित" फायदे हैं जो वास्तविक सर्किट में अपेक्षित रूप से काम नहीं करते हैं। प्रतिवर्ती लॉजिक गेट्स की ऊर्जा बचत ज्यादातर इस तथ्य के कारण होती है कि जब एक ऑपरेशन किया जाता है तो उन्हें एंट्रॉपी की आवश्यकता नहीं होती है। जैसा कि टॉम वैन डेर ज़ैंडन ने कहा है, यह प्राथमिक कारण है कि प्रतिवर्ती तर्क अधिक कुशल हो सकते हैं। वास्तविक परिपथों में ऐसा क्यों नहीं है:

  1. वर्तमान में ट्रांजिस्टर तकनीक अधिक है जो कंप्यूटर की गति और बिजली की खपत को सीमित करती है, और दुर्भाग्यवश, पारंपरिक नंद या गेट्स के विपरीत एक ट्रांजिस्टर गेट बनाने के लिए अधिक ट्रांजिस्टर की आवश्यकता होती है। इसका मतलब है कि फ्रेडकिन गेट्स ट्रांजिस्टर रिसाव के माध्यम से अधिक ऊर्जा बर्बाद करते हैं और सिलिकॉन पर अधिक स्थान की आवश्यकता होती है (जिसका अर्थ है अधिक महंगा)। यह अकेले नंद का उपयोग करने के लिए पर्याप्त है / न ही फ़्रेडकिन गेट्स पर
  2. चूंकि बिजली की हानि का प्राथमिक रूप यदि ट्रांजिस्टर से होता है और वास्तविक गणना के कारण एन्ट्रापी निर्माण नहीं होता है, तो भी आपको इस बिजली के नुकसान की भरपाई के लिए फ्रेडकिन गेट्स को बिजली और जमीनी लाइनें चलाने की आवश्यकता है। ये बड़े बस्स फैन-इन बस्स हैं, जो सिलिकॉन पर बहुत अधिक जगह लेते हैं। चूंकि एक फ्रेडकिन गेट में अधिक ट्रांजिस्टर होते हैं, इसलिए यह अधिक पंखे में होता है, और इस तरह सिलिकॉन पर अधिक बर्बाद जगह होती है।
  3. यद्यपि हमारे पास प्रतिवर्ती फ़्रेडकिन द्वार हैं, ये गैर-प्रतिवर्ती उपकरणों (ट्रांजिस्टर) से निर्मित हैं। इसका मतलब है कि कुछ ऊर्जा लाभ वर्तमान गेट प्रौद्योगिकी (क्वांटम सर्किट के बाहर) के साथ महसूस नहीं किए जाते हैं।
  4. आकार और गति सिलिकॉन पर संबंधित हैं, एक साथ चीजें करीब हैं, आम तौर पर तेजी से आप उन्हें बना सकते हैं। चूंकि फ़्रेडकिन गेट अधिक ट्रांजिस्टर का उपयोग करते हैं और बिजली आदि के लिए अधिक कनेक्शन होते हैं, इसलिए वे काफी धीमी गति से होते हैं।
  5. बिजली की खपत के फायदे और गति लाभ केवल तभी महसूस किए जाते हैं जब बिट्स का पुन: उपयोग किया जाता है। हमारे पास मौजूद अधिकांश एल्गोरिदम बहुत ही गैर-रूढ़िवादी हैं। आप इसे फ्रेडरिक गेट्स का उपयोग करके पूर्ण योजक या शिफ्ट रजिस्टर के कार्यान्वयन पर शोध करके देख सकते हैं। चूंकि प्रतिवर्ती तर्क तार्किक फैन-इन और प्रशंसक-आउट की अनुमति नहीं देता है, इससे बहुत अधिक गणना होती है जो एक उपयोगी ऑपरेशन को प्राप्त करने के लिए उपयोग नहीं की जाती है। कुछ इस तरह के दो 8-बिट संख्याओं को जोड़ने से 9-बिट्स या उपयोगी जानकारी (8-बिट परिणाम, 1 कैरी बिट) का उत्पादन होगा, लेकिन कई 1 और 0 स्थिरांक की इनपुट बस की आवश्यकता होगी और कई जंक डेटा आउटपुट बिट्स का उत्पादन करेगा। चूंकि आपके पास एक व्यापक बस है, इसलिए यह सिलिकॉन पर एक और भी फैला हुआ सर्किट होता है।
  6. इसके अतिरिक्त, जंक बिट्स को प्रोसेसर द्वारा डंप किया जाना चाहिए, और इस तरह से ऊर्जा की हानि हो सकती है क्योंकि वे कभी भी उपयोग नहीं किए जाते हैं

सारांश: असली एल्गोरिदम को लागू करते समय फ्रेडकिन गेट बहुत अधिक अपशिष्ट संगणना पैदा करते हैं। अपशिष्ट संगणना = व्यर्थ ऊर्जा। इस वजह से, बस आकार बढ़ता है जो चीजों को फैलाता है और चीजों को धीमा कर देता है। इसके अतिरिक्त, फ्रेडकिन फाटकों का भौतिक कार्यान्वयन वर्तमान प्रौद्योगिकी के लिए अधिक चिंता का विषय है। वर्तमान कार्यान्वयन सर्किट में होने वाले नुकसान की भरपाई करने के लिए अधिक शक्ति और जमीनी रेखाओं की आवश्यकता के द्वारा चीजों को अधिक फैलाता है (जो कि ऊर्जा हानि के लिए बहुत अधिक चिंता का विषय है) और सिलिकॉन पर अधिक अचल संपत्ति का उपयोग करता है (जो गति के लिए बहुत अधिक चिंता का विषय है। )

मुझे एहसास है कि यह एक पुराना धागा है, लेकिन कई उत्तर इस तथ्य पर ध्यान केंद्रित करते हैं कि ट्रांजिस्टर अक्षम हैं। मेरा लक्ष्य यह दिखाना है कि हमारे एल्गोरिदम भी अक्षम हैं और प्रतिवर्ती कंप्यूटिंग को अच्छी तरह से संभाल नहीं पाते हैं। मैं एक कंप्यूटर इंजीनियर हूं, जो प्रतिवर्ती और क्वांटम कंप्यूटिंग पर शोध कर रहा है

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